專(zhuān)利名稱(chēng)：基于cmos反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速混沌振蕩器的設(shè)計(jì)方法和電路，尤其涉及一種基于CMOS反 相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法和電路。
背景技術(shù)：
混沌在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用是混沌電路研究的一個(gè)巨大推動(dòng)力。隨著擴(kuò)頻通信越來(lái) 越廣泛的應(yīng)用，混沌擴(kuò)頻通信在商業(yè)無(wú)線(xiàn)通信中的應(yīng)用潛力備受關(guān)注。目前混沌擴(kuò)頻通信 的一個(gè)熱點(diǎn)研究方向就是利用混沌信號(hào)自身的擴(kuò)頻特性，以混沌信號(hào)為載波進(jìn)行一些創(chuàng)新 體制的混沌載波擴(kuò)頻通信研究。在這些研究中，高速混沌振蕩器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。蔡氏電路是最經(jīng)典的混沌振蕩器之一，很多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了較為深入的研究。傳 統(tǒng)的蔡氏電路中的負(fù)阻子電路多是基于運(yùn)算放大器構(gòu)建的，運(yùn)算放大器的速度限制了蔡氏 電路的振蕩頻率，使得傳統(tǒng)蔡氏電路產(chǎn)生的混沌信號(hào)基頻多在kHz量級(jí)。為了使蔡氏電路 產(chǎn)生IMHz甚至更高頻率的混沌振蕩信號(hào)以滿(mǎn)足寬帶混沌通信的要求，一個(gè)可能的方法就 是使用具有負(fù)阻特性的高速器件替代傳統(tǒng)蔡氏電路中的負(fù)阻子電路。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高蔡氏電路產(chǎn)生的混沌振蕩信號(hào)的頻率，本發(fā)明的目的在于提供了一種基 于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法和電路，使用具有負(fù)阻特性的CMOS反相器對(duì) 替代傳統(tǒng)蔡氏電路中的負(fù)阻電路進(jìn)行高速混沌電路設(shè)計(jì)的方法和電路，使蔡氏電路產(chǎn)生高 速混沌振蕩信號(hào)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一 .基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法1)使用CMOS反相器對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路替代蔡氏電路中基于運(yùn)算放大器的負(fù)阻電 路，產(chǎn)生混沌振蕩。2)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法為首先計(jì)算由兩個(gè)差分對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路的“電流_電 壓”特性，取負(fù)阻段中心點(diǎn)的阻抗的絕對(duì)值的1. 1倍作為電阻R的取值，然后，電感L，電容 C1，電容C2需要滿(mǎn)足條件C1 = C2/ α(1)L = C2R2/β(2)其中α，β為蔡氏電路混沌振蕩的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)在蔡氏電路混沌特性α -β 分叉圖中混沌振蕩區(qū)域中心部分取值，α，β取定之后，再取定電容C2后，由公式(1)，(2) 得到電容C1和電感L的取值。二 . 一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法的電路電感L的一端和電容C2的一端連接于電阻R的一端，電阻R的另一端和電容C1的 一端與CMOS反相器對(duì)電路的一端連接，電感L的另一端、電容C2的另一端和電容C1的另一 端與CMOS反相器對(duì)電路的另一端連接。
所述的CMOS反相器對(duì)電路為芯片⑶4069，它的第一管腳、第四管腳和電阻R的一
端、電容C1的一端連接，第二管腳、第三管腳和電容C1的另一端連接，第七管腳接地，第八管 腳接電源。所述的CMOS反相器對(duì)電路包括兩個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管；第一 PMOS管和第二 PMOS管的源極連接電源，第一 PMOS管的柵極、第一 NMOS管的柵極、第二 PMOS管的漏極、第 二 NMOS管漏極與電阻R和電容C2的一端連接，第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的源極 接地，第一 PMOS管的漏極、第一 NMOS管的漏極、第二 PMOS管的柵極與第二 NMOS管的柵極 和電容C2的另一端連接。本發(fā)明具有的有益效果是該電路繼承了傳統(tǒng)蔡氏電路的特性，可以產(chǎn)生混沌振蕩信號(hào)。使用CMOS反相器 對(duì)，即兩個(gè)反接的反相器，作為振蕩器的負(fù)阻子電路，因?yàn)镃MOS反相器對(duì)可以克服傳統(tǒng)蔡 氏電路工作頻率較低的缺點(diǎn)，工作于較高的頻率，所以可以產(chǎn)生高速的混沌振蕩，工作頻率 達(dá)到IMHz及以上。該電路既可以使用分立器件進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 工藝進(jìn)行高速混沌振蕩器的芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有利于小成本大批量混沌信號(hào)源的制造和生 產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明的高速混沌振蕩器原理圖。圖2是使用分立器件設(shè)計(jì)的高速混沌振蕩器電路圖。圖3是使用示波器觀測(cè)到的高速混沌振蕩器混沌吸引子。圖4是使用示波器觀測(cè)到的高速混沌振蕩器時(shí)域信號(hào)。圖5是使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝設(shè)計(jì)的高速混沌振蕩器電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，本發(fā)明的混沌振蕩器是在傳統(tǒng)蔡氏電路的基礎(chǔ)上，使用CMOS反相器 對(duì)電路構(gòu)成的負(fù)阻電路替代傳統(tǒng)蔡氏電路中基于運(yùn)算放大器的負(fù)阻電路，產(chǎn)生速度更快的 混沌振蕩。如圖1所示，本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)為電感L的一端和電容C2的一端連接于電阻R 的一端，電阻R的另一端和電容C1的一端與CMOS反相器對(duì)電路的一端連接，電感L的另一 端、電容C2的另一端和電容C1的另一端與CMOS反相器對(duì)電路的另一端連接。在選定CMOS反相器對(duì)基礎(chǔ)上，電路中的參數(shù)設(shè)計(jì)涉及到電容Cl，C2，電感L，電阻R 的取值。具體設(shè)計(jì)方法為首先計(jì)算或仿真由CMOS反相器對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路的“電流_電 壓”關(guān)系，即計(jì)算或仿真圖1中流過(guò)電阻R的一端，電容C2的一端與CMOS反相器對(duì)電路的 一端連接線(xiàn)路上的電流以及CMOS反相器對(duì)電路兩端的電壓的關(guān)系，這一“電流_電壓”關(guān)系 在偏置點(diǎn)處呈現(xiàn)負(fù)阻特性。取負(fù)阻段中心點(diǎn)的阻抗的絕對(duì)值的1. 1倍作為電阻R的取值， 然后，電感L，電容C1,電容C2需要滿(mǎn)足條件C1 = C2/α (1)L = C2R2/ β (2)
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其中，α，β為傳統(tǒng)蔡氏電路混沌振蕩的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)在傳統(tǒng)蔡氏電路混沌特 性α-β分叉圖中混沌振蕩區(qū)域中心部分取值，α，β取定之后，再根據(jù)振蕩頻率要求取定 電容C2，然后由公式(1)，⑵得到電容C1和電感L的取值。本發(fā)明的混沌振蕩器電路一方面可以使用分立式電容，電感，電阻元件和反相器 對(duì)芯片實(shí)現(xiàn)，另一方面也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，反相器對(duì)電路包括反相 器1和反相器2。當(dāng)使用分立式電容，電感，電阻元件和反相器對(duì)芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的時(shí)候，具體實(shí)施的一 個(gè)示例電路圖如圖2所示，電容，電感，電阻使用市場(chǎng)上直接購(gòu)買(mǎi)的分立元件，CMOS反相器 對(duì)電路使用National Semiconductor公司的芯片CD4069，該芯片是一款基于CMOS工藝的 反相器組電路，包含6個(gè)反相器，本示例電路中僅使用了其中反相器1和反相器2以構(gòu)成 CMOS反相器對(duì)電路，圖2中CD4069的管腳1是反相器1的輸入，管腳2是反相器1的輸出， 管腳3是反相器2的輸入，管腳4是反相器對(duì)2的輸出。此外，反相器管腳7接地，管腳8 接電源VCC，電源電壓根據(jù)芯片要求進(jìn)行設(shè)置，本示例電路中使用5V直流供電。使用本發(fā) 明技術(shù)方案中的電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法，首先獲得由兩個(gè)反相器構(gòu)成的反相器對(duì)的負(fù)阻特性， 求得電阻R的取值為Ik歐姆左右。在α-β分叉圖中的雙渦卷吸引子區(qū)域選定α取值 為33. 9，β取值為103。選定電容C2取值為6. 8nF，根據(jù)公式可以計(jì)算得到電感L取值為 66uH,電容Cl取值為180pF?？紤]到電路參數(shù)的誤差，在調(diào)試時(shí)候可以通過(guò)調(diào)節(jié)電路R的取 值來(lái)調(diào)整電路的狀態(tài)以使之進(jìn)入混沌狀態(tài)。圖3為電阻R調(diào)整到950歐姆時(shí)候使用示波器 觀測(cè)到的雙渦卷吸引子。圖4為對(duì)應(yīng)雙渦卷吸引子狀態(tài)時(shí)候電阻R兩端的電壓時(shí)序波形。當(dāng)使用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的混沌振蕩器電路時(shí)，電感L使用片上螺旋 電感實(shí)現(xiàn)，電容使用片上MIMWetal-Insulator-Metal，金屬-絕緣層-金屬)電容，電阻使 用Poly (多晶硅)電阻。如圖5所示，所述的CMOS反相器對(duì)電路包括兩個(gè)PMOS管和兩個(gè) NMOS管；第一 PMOS管和第二 PMOS管的源極連接電源，第一 PMOS管的柵極、第一 NMOS管的 柵極、第二PMOS管的漏極、第二 NMOS管漏極與電阻R和電容C2的一端連接，第一NMOS管的 源極和第二 NMOS管的源極接地，第一 PMOS管的漏極、第一 NMOS管的漏極、第二 PMOS管的 柵極與第二 NMOS管的柵極和電容C2的另一端連接。圖5是使用上華0. 6um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工 藝設(shè)計(jì)的混沌振蕩器，其中參數(shù)的設(shè)計(jì)方法同前。圖中AVDD為外接電源電壓，AVSS接地。
權(quán)利要求
一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法，其特征在于1)使用CMOS反相器對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路替代蔡氏電路中基于運(yùn)算放大器的負(fù)阻電路，產(chǎn)生混沌振蕩。2)電路參數(shù)的設(shè)計(jì)方法為首先計(jì)算由兩個(gè)差分對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路的“電流 電壓”特性，取負(fù)阻段中心點(diǎn)的阻抗的絕對(duì)值的1.1倍作為電阻R的取值，然后，電感L，電容C1，電容C2需要滿(mǎn)足條件C1＝C2/α(1)L＝C2R2/β (2)其中α，β為蔡氏電路混沌振蕩的特征參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)在蔡氏電路混沌特性α β分叉圖中混沌振蕩區(qū)域中心部分取值，α，β取定之后，再取定電容C2后，由公式(1)，(2)得到電容C1和電感L的取值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述設(shè)計(jì)方法的一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器電路，其 特征在于電感L的一端和電容C2的一端連接于電阻R的一端，電阻R的另一端和電容C1 的一端與CMOS反相器對(duì)電路的一端連接，電感L的另一端、電容C2的另一端和電容C1的另 一端與CMOS反相器對(duì)電路的另一端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器電路，其特征在 于所述的CMOS反相器對(duì)電路為芯片CD4069，它的第一管腳(1)、第四管腳(4)和電阻R的 一端、電容C1的一端連接，第二管腳(2)、第三管腳(3)和電容C1的另一端連接，第七管腳 (7)接地，第八管腳⑶接電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器電路，其特征在 于所述的CMOS反相器對(duì)電路包括兩個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管；第一 PMOS管和第二 PMOS 管的源極連接電源，第一 PMOS管的柵極、第一 NMOS管的柵極、第二 PMOS管的漏極、第NMOS 管漏極與電阻R和電容C2的一端連接，第一 NMOS管的源極和第二 NMOS管的源極接地，第 一 PMOS管的漏極、第一 NMOS管的漏極、第二 PMOS管的柵極與第二 NMOS管的柵極和電容C2 的另一端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于CMOS反相器對(duì)的高速混沌振蕩器設(shè)計(jì)方法和電路。使用CMOS反相器對(duì)構(gòu)成的負(fù)阻電路替代蔡氏電路中基于運(yùn)算放大器的負(fù)阻電路，產(chǎn)生混沌振蕩。CMOS反相器電路采用芯片CD4069或由兩個(gè)PMOS管和兩個(gè)NMOS管組成。該電路繼承了傳統(tǒng)蔡氏電路的特性，產(chǎn)生混沌振蕩信號(hào)。使用CMOS反相器對(duì)，即兩個(gè)反接的反相器作為振蕩器的負(fù)阻子電路，可以克服傳統(tǒng)蔡氏電路工作頻率較低的缺點(diǎn)，工作于較高的頻率，所以可以產(chǎn)生高速的混沌振蕩，工作頻率達(dá)到/MHz。該電路既可以使用分立器件進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，也可以使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝進(jìn)行高速混沌振蕩器的芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有利于小成本大批量混沌信號(hào)源的制造和生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H03B5/18GK101964630SQ20101027576
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者史治國(guó), 洪少華, 金夢(mèng)珺, 陳積明 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)